增量編碼器信號(hào)輸出TTL電平、5V差分、長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)、它們有什么不同？

這次我們講講增量編碼器的方波脈沖數(shù)字信號(hào)。增量方波脈沖數(shù)字信號(hào)也許很簡(jiǎn)單，但是還是有很多人難以定義并區(qū)分清楚，在這么個(gè)簡(jiǎn)單的問(wèn)題上犯的錯(cuò)誤卻比比皆是。它實(shí)際上決定了編碼器信號(hào)接收能否很好匹配，并高質(zhì)量地傳輸與讀取以及信號(hào)抗干擾能力。

增量脈沖信號(hào)的方波，以電壓的高低（開(kāi)關(guān)）電平脈沖式變化，與正余弦模擬量信號(hào)不同，方波脈沖信號(hào)是數(shù)字式開(kāi)關(guān)邏輯信號(hào)。在高電平的時(shí)候邏輯為1，低電平的時(shí)候邏輯為0，這種編碼方式稱為編碼的正邏輯。反之以高電平為“0”低電平為“1”的編碼方式為負(fù)邏輯。絕大部分編碼器默認(rèn)正邏輯，部分日系編碼器（NPN）為負(fù)邏輯。

方波脈沖輸出有多種形式。

TTL（transistor transistor logic），TTL信號(hào)是數(shù)字信號(hào)的基礎(chǔ)，通常我們采用二進(jìn)制來(lái)表示數(shù)據(jù)。TTL電平信號(hào)規(guī)定，+5V等價(jià)于邏輯“1”，0V等價(jià)于邏輯“0”。這樣的數(shù)據(jù)通信及電平規(guī)定方式，被稱做TTL（晶體管-晶體管邏輯電平）信號(hào)系統(tǒng)。這是計(jì)算機(jī)處理器控制的設(shè)備內(nèi)部各部分之間通信的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。TTL更多的是用于電路設(shè)計(jì)，各種芯片單片機(jī)的輸入輸出是TTL信號(hào)，它是相對(duì)于外部電纜傳輸?shù)妮^高電平HTL信號(hào)的低電平（5V），定義的數(shù)據(jù)1（5V）和0（0V）的邏輯電平信號(hào)。

5V差分信號(hào)：差分是以兩個(gè)信號(hào)之間的電壓差經(jīng)數(shù)學(xué)比較處理的概念，在增量脈沖信號(hào)中，它表明有每?jī)蓚€(gè)信號(hào)一組，各自為反相（180度相位差）。5V差分信號(hào)是TTL信號(hào)每?jī)蓚€(gè)信號(hào)一組，例如A+對(duì)A-，當(dāng)A+在5V=1的時(shí)候，A-在0V=0，邏輯等價(jià)與“1”；當(dāng)180度反相時(shí)A+在0V的時(shí)候，A-在5V，邏輯等價(jià)與“0”。

僅僅是在差分信號(hào)的定義上，兩個(gè)信號(hào)是平等的可以互換的，互換后邏輯反相。例如編碼器的5V差分信號(hào)A+與A-是可以互換接線的，互換后相位反180度，也即是信號(hào)增量方向與編碼器旋轉(zhuǎn)方向反向了，可以用這個(gè)方法改變編碼器輸出方向。

差分信號(hào)的目的是接收端可以通過(guò)差分信號(hào)處理消除傳輸線上的共模干擾。

差分信號(hào)在雙絞線上的傳輸，抗干擾能力較強(qiáng)。差分的兩個(gè)信號(hào)交替高低電平信號(hào)變化，在一對(duì)雙絞線上配對(duì)傳輸，對(duì)外界的電磁場(chǎng)貢獻(xiàn)平均為無(wú)變化的，外界干擾變化的電磁場(chǎng)對(duì)其作用也就達(dá)到最小。雙絞的“絞”起來(lái)的作用，一是同時(shí)對(duì)于信號(hào)電流流向所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的反旋，以抵消因電流流向的法拉底原理產(chǎn)生的磁場(chǎng)；另一個(gè)是在雙絞線配對(duì)的兩個(gè)信號(hào)之間的電磁場(chǎng)平衡，防止這兩個(gè)信號(hào)之間串音，尤其是信號(hào)頻率較高的時(shí)候的串音。因此雙絞絞起來(lái)的節(jié)據(jù)與設(shè)計(jì)的需要傳輸信號(hào)的主要頻段有關(guān)。

差分信號(hào)以及配對(duì)的使用雙絞屏蔽線傳輸，是信號(hào)輸出與傳遞的較佳的具有電磁兼容性EMI和抗干擾特性。

差分信號(hào)的形式不僅僅是5V，不僅僅是方波信號(hào)。例如也可以是較高電平的5——30V的HTL信號(hào)的含反相差分，HTL-6；或者也可以是正余弦模擬量SINCOS信號(hào)，也是差分式的。

在5V差分信號(hào)的定義上，比TTL多了一點(diǎn)內(nèi)容，就是兩個(gè)互為反相信號(hào)一組的TTL信號(hào)。

長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)信號(hào)（line driver）：是指發(fā)送端與接收端有一對(duì)配對(duì)的長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器，它們各自有正負(fù)兩個(gè)管腳，當(dāng)發(fā)送端正管腳為高電平往外推送信號(hào)電流時(shí)，接收端的正管腳為低電平往里拉信號(hào)電流（推拉式）。此時(shí)電流的方向與信號(hào)流的方向一致，視為邏輯1。

當(dāng)發(fā)送端正管腳為低電平時(shí)，接收端的正管腳為高電平，發(fā)送端相當(dāng)于往里拉電流，電流方向與信號(hào)流方向是反的，此時(shí)視為邏輯0。在發(fā)送端前面送入5VTTL信號(hào)，在接收端經(jīng)過(guò)差分后再送出5VTTL的信號(hào)。

長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)信號(hào)是有發(fā)送端與接收端各有一個(gè)長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器配對(duì)，在邏輯1和邏輯0時(shí)都有信號(hào)放大推拉，并也是差分式的。信號(hào)走輸入單極性TTL~長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)（配對(duì)的推拉驅(qū)動(dòng)）~接收端差分~單極性TTL輸出（進(jìn)計(jì)數(shù)器等）。由于有接收端配對(duì)的推拉驅(qū)動(dòng)，長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)信號(hào)傳輸距離更“長(zhǎng)線”。

典型的長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器26LS31與26LS32配成一對(duì)。為5V的差分式的。

長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)是基于一對(duì)配對(duì)的長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器的偏向于對(duì)電子器件的描述，這種傳輸方式抗干擾強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)傳輸距離遠(yuǎn)，一般對(duì)于編碼器的5V差分長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)的描述可以傳400米（用專業(yè)的編碼器雙絞屏蔽電纜）。

長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)信號(hào)的定義往往取決于配對(duì)的長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器件。不局限于5V。

長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)與5V差分的不同：

5V差分有兩種可能性：

三線制，電流回路對(duì)0V

二線制,電流回路不對(duì)0V

長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)只有第二種二線制的，電流回路不對(duì)0V。

RS422信號(hào)：Electronic Industries Association (EIA )國(guó)際電工協(xié)會(huì)(EIA)定義的一個(gè)更廣泛的信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)。RS-422標(biāo)準(zhǔn)全稱是“平衡電壓數(shù)字接口電路的電氣特性”。接收器采用高輸入阻抗和發(fā)送驅(qū)動(dòng)器采用差模傳輸，雙絞線。

RS422與TTL區(qū)別：不一定是5V，可以是5到24V；RS422定義了A+與A-的差模傳輸方式。

RS422與5V差分的區(qū)別：信號(hào)電壓范圍更廣，對(duì)于差分的數(shù)學(xué)與物理界面、傳輸?shù)碾娎|與接口接插頭等都有定義。在三線制模式，A+或A-即使在低電平，也可以大于0V。RS422信號(hào)的這種基點(diǎn)電壓大于0V，可以在傳輸線上允許有因阻抗而有電壓衰減，但差模后仍然能保持大于等于5V的差模電壓，因此傳輸距離可能比長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)的更遠(yuǎn)。其傳輸距離長(zhǎng)度與信號(hào)頻率有關(guān)，在較低的信號(hào)頻率下最遠(yuǎn)可傳輸1000米。

歐系、日系編碼器在描述上的不一致不統(tǒng)一

由于歷史原因，先有歐系編碼器的TTL信號(hào)，然后再有雙極性的5V差分，以及基于長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)器件配對(duì)的長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)信號(hào)。歐系編碼器廠家為原有老客戶仍然保持了用TTL信號(hào)來(lái)表述5V差分信號(hào)（長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)）。需要注意的是，歐系的TTL目前大部分是默認(rèn)為5V差分的長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)的，但是歐系的TTL也有少部分是5V差分是可以對(duì)0V的三線的，也可以是兩線的長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)。如果是三線的也可以是單獨(dú)接A+,而可以不接A-(A-懸空)，作為單極性的TTL使用。一些簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)的設(shè)備中，5VTTL電平的ABZ即為這種三線制差分的簡(jiǎn)化接線方式（只接AB信號(hào)），例如我參加的對(duì)歐洲塔式積熱式太陽(yáng)能跟蹤反射板上供應(yīng)的增量編碼器，就是這種5VTTL的只接AB兩根線的，設(shè)計(jì)要求一樣要達(dá)到較遠(yuǎn)距離的傳輸與抗干擾能力。

如果是二線制的，不僅僅必須A+A-都要接上，而且需查產(chǎn)品手冊(cè)對(duì)應(yīng)尋找到匹配的接收單元與之配對(duì)。

歐系編碼器的TTL描述有三種可能：

1，雙極性的5V TTL，接收端封閉配對(duì)，接收端單元選型需與發(fā)送端查找配對(duì)使用（查產(chǎn)品手冊(cè)），A+A-都必須接。這是最多可能性，或者目前編碼器類以TTL表示的幾乎默認(rèn)的模式，目前主要為設(shè)備配套提供，較多的是運(yùn)動(dòng)控制器與伺服電機(jī)編碼器匹配。

2，單極性的5VTTL，，直接的電路板計(jì)算機(jī)處理器接口，可以只接AB信號(hào)。主要為設(shè)備電路設(shè)計(jì)者提供，可直接進(jìn)入計(jì)算機(jī)處理器CPU或者計(jì)數(shù)器芯片。

3，雙極性的5V TTL，三線式對(duì)0V的5V電平，接收端開(kāi)放；它也可以是只接AB單極性信號(hào)，直接連接計(jì)算機(jī)處理器而省去信號(hào)接收芯片，與上述2兼容使用。但是原有差分輸出的模式在雙絞線上傳輸一樣用差分信號(hào)配對(duì)使用雙絞，同樣有部分雙絞傳輸抗干擾的作用。

4，目前5V差分（歐系仍以TTL表示）大部分用于運(yùn)動(dòng)控制器伺服電機(jī)編碼器，而自動(dòng)化PLC上用更高電平的HTL信號(hào)（非差分式）。在變頻器的信號(hào)選用上，較佳的應(yīng)該是HTL-6,即含反相的HTL信號(hào)，較高電平的差分信號(hào)具有更好的抗變頻器干擾特性。

日系編碼器通常直接以5V line driver描述，需查手冊(cè)與發(fā)送端芯片配對(duì)使用。

日系編碼器更有NPN單極性反邏輯的信號(hào)輸出，接收端也必須是NPN極性的，它的信號(hào)電壓公共端在電源的高電平上，信號(hào)流開(kāi)關(guān)是在0V上的“有”或“無(wú)”的“漏性”電流，信號(hào)的“1”和“0”是反的，在邏輯處理時(shí)需反向。不建議用上拉電阻臨時(shí)取電壓的不規(guī)范接法。

HTL含反相信號(hào)-(High Threshold Logic的縮寫(xiě))是“高閾值邏輯電路”，它的電壓閾值9--30V，大于5V TTL，目前較多的是以一對(duì)NPN+PNP三極管做成推挽式開(kāi)關(guān)放大電路，兼容集電極開(kāi)路放大器NPN和PNP。其中PNP接法為正邏輯，以電源0V為公共端；NPN接法為負(fù)邏輯，以電源高電平為公共端。HTL信號(hào)更多地用于PLC接口，尤其是歐系PLC為編碼器標(biāo)準(zhǔn)接口。

HTL信號(hào)可以用三線制差分模式（電流回路對(duì)0V,取電壓差比較差分接收）。同樣可以有HTL-6的含反相通道做成差分式接收（A+A-B+B-Z+Z-6通道HTL）。HTL-6可用在變頻器接收，因其電平閾值高、差分式可消除變頻器及電機(jī)的共模干擾，用于變頻器接收上抗干擾能力更強(qiáng)。

編碼器信號(hào)不匹配可能引起的錯(cuò)誤：

編碼器信號(hào)不僅僅是有電壓差對(duì)應(yīng)，A+A-反相差分也有多種不同，所以并不是看見(jiàn)電壓是對(duì)的，或者看到是A+A-B+B-含反相的，還是只有ABZ沒(méi)有反相，就可以判斷是不是匹配的可以連接上去了。電壓對(duì)了ABZ接上去了，哪怕有信號(hào)能夠讀取到，并不代表就是有很好匹配的可以用了，這其中還有多種不匹配引起不良結(jié)果的可能性：

1，對(duì)0V的關(guān)系不同，三線的差分信號(hào)電流回路對(duì)0V，取電壓差比較；二線的差分信號(hào)電流回路與0V無(wú)關(guān)，僅為兩個(gè)互為差分信號(hào)自己構(gòu)成電流回路的正反電流回路。當(dāng)設(shè)備啟動(dòng)時(shí)0V會(huì)有波動(dòng)，如果信號(hào)不匹配極易被干擾甚至燒器件。對(duì)于有較大型電機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)，或者有大型設(shè)備中的電磁線圈，在啟動(dòng)瞬間的三相繞線不平衡，很有可能會(huì)在0V瞬間的波動(dòng)而發(fā)生這種不預(yù)期狀況。

2，阻抗匹配的不同，針對(duì)于有封閉性配對(duì)要求的接收端，編碼器脈沖信號(hào)的阻抗與信號(hào)頻率有關(guān)，發(fā)送與接收阻抗匹配是有預(yù)先定義的，尤其是在高頻段阻抗的不匹配，將導(dǎo)致在編碼器脈沖頻率高時(shí)的信號(hào)丟失的“丟脈”，例如高分辨率編碼器或者高速旋轉(zhuǎn)中編碼器的頻率較高。針對(duì)長(zhǎng)線驅(qū)動(dòng)有接收端匹配要求的，需查手冊(cè)配對(duì)接收單元。

3，信號(hào)流與電流方向的一致性，如果不匹配將導(dǎo)致讀不到信號(hào)，甚至燒了器件。編碼器如果沒(méi)有反極性保護(hù)和短路保護(hù)，這種上去就燒器件的事情常有發(fā)生。

4，抗干擾性能的不同，只有匹配的信號(hào)，以及使用雙絞屏蔽電纜線，具有更好的抗干擾特性，并信號(hào)傳輸距離能達(dá)到標(biāo)稱的長(zhǎng)度。雙絞電纜僅對(duì)差分的匹配的信號(hào)有利。單極性的信號(hào)或者不匹配的信號(hào)沒(méi)有形成配對(duì)，雙絞線失去了其設(shè)計(jì)使用的目的。

5，日系編碼器還有NPN集電極開(kāi)路式的信號(hào)，這類信號(hào)接收端也必須是NPN，而且“1”和“0”的邏輯是反的，而不是用上拉電阻臨時(shí)救急用上去。我不推薦使用這類信號(hào)。對(duì)于編碼器信號(hào)輸出類別中，NPN信號(hào)可以被淘汰了。

6，目前國(guó)內(nèi)最典型的編碼器信號(hào)接口不匹配，是歐系PLC（例如西門(mén)子PLC）連日系編碼器（例如歐姆龍編碼器），看似電壓與ABZ都對(duì)，連上去也能讀取信號(hào)，但實(shí)際上是不匹配的，在頻率較高時(shí)抗干擾差，容易丟脈沖，甚至容易上電燒器件，應(yīng)避免這樣的連接。其次，是變頻器的信號(hào)接收應(yīng)選用差分式含反相的信號(hào)，HTL-6含反相6通道因?yàn)橛懈叩碾妷洪撝刀m合在變頻器中使用。而目前國(guó)內(nèi)變頻器接收的信號(hào)很多并不匹配，尤其是選用NPN集電極開(kāi)路輸出信號(hào)，因其公共端不在0V，而電機(jī)接地是0V的，NPN接法是沖突的不匹配的。

在增量編碼器信號(hào)中，我們已經(jīng)講過(guò)了正余弦的模擬量信號(hào)及細(xì)分信號(hào)，這次又講到了TTL、linedriver、RS422、HTL和HTL-6等。另外有關(guān)于NPN和PNP，以及“源”信號(hào)與”漏“信號(hào)，作者另已有文章介紹。隨著電氣設(shè)備越來(lái)越多，電磁兼容性抗干擾問(wèn)題越來(lái)越重要，NPN等早期的編碼器信號(hào)模式已經(jīng)逐漸不再適應(yīng)現(xiàn)有的應(yīng)用環(huán)境了。發(fā)送接收有很好匹配性的差分型信號(hào)，抗干擾適用性更強(qiáng)。